Fill d’un actor i d’una pianista, del 1946 al 1956 formà parella amb Dean Martin, amb el qual actuà en teatres, clubs i a la televisió, coprotagonitzà setze pel·lícules i el programa de ràdio The Martin and Lewis Show (1949-53), entre d’altres, actuacions que li donaren una gran popularitat com a actor còmic en el gènere anomenat slapstick, amb una combinació molt personal d’hiperactivitat física, incontinència verbal i disbarat. Posteriorment, interpretà tot sol i a les ordres de Frank Tashlin The Geisha Boy (1958), Cinderfella (1960), Who's Minding the Store (1963) i The Disorderly Orderly (1964). També protagonitzà, entre d'altres, The King of Comedy (1983), de Martin Scorsese, el seu primer paper dramàtic; Funny Bones (1995), de Peter Chelsom, i Arizona Dream (1993), d’Emir Kusturica.
Director, guionista i actor d’una vintena de films i produccions per a la televisió, cal esmentar-ne els llargmetratges The Bellboy (1960), The Ladies Man (1961), The Errand Boy (1961), The Nutty Professor (1963), el seu gran èxit, The Patsy (1964), The Family Jewels (1965), Three on a Couch (1966), The Big Mouth (1967), Which Way to the Front (1970), Hardly Working (1979) i Cracking Up (1983). El 1995 debutà a Broadway en el musical Damn Yankees. Tingué una gran dedicació filantròpica, molt especialment en la lluita contra la distròfia muscular, i dirigí i protagonitzà un programa de televisió anual de recollida de fons per a aquesta causa (1966-2011). L’any 1999 rebé el Lleó d’Or del Festival de Venècia en reconeixement a la seva trajectòria i el 2009 fou guardonat amb el Premi Humanitari Jean Hersholt, durant el lliurament dels Oscar, en reconeixement al seu treball en causes humanitàries.